Pencetakan 3D telah berkembang pesat sejak penemuannya pada tahun 1983 oleh Chuck Hull, yang memelopori stereolitografi, suatu teknik yang memadatkan resin cair menjadi benda padat menggunakan laser ultraviolet. Selama beberapa dekade, printer 3D telah berevolusi dari keingintahuan eksperimental menjadi alat yang mampu menghasilkan segala sesuatu mulai dari prostetik khusus hingga desain makanan yang rumit, model arsitektur, dan bahkan organ manusia yang berfungsi.
Namun seiring dengan semakin berkembangnya teknologi, dampak lingkungan menjadi semakin sulit untuk dikesampingkan. Sebagian besar pencetakan 3D konsumen dan industri masih bergantung pada filamen plastik berbasis minyak bumi. Meskipun ada alternatif yang “lebih ramah lingkungan” yang terbuat dari bahan yang dapat terbiodegradasi atau didaur ulang, namun ada konsekuensi yang harus ditanggung: sering kali bahan tersebut tidak sekuat bahan tersebut. Filamen ramah lingkungan ini cenderung menjadi rapuh di bawah tekanan, sehingga tidak cocok untuk aplikasi struktural atau bagian yang menahan beban — di mana kekuatan adalah hal yang paling penting.
Pertukaran antara keberlanjutan dan kinerja mekanis ini mendorong para peneliti di Laboratorium Ilmu Komputer dan Kecerdasan Buatan (CSAIL) MIT dan Institut Hasso Plattner untuk bertanya: Apakah mungkin untuk membangun objek yang sebagian besar ramah lingkungan, namun tetap kuat jika diperlukan?
Jawaban mereka adalah Cetak Berkelanjutanperangkat lunak dan perangkat keras baru yang dirancang untuk membantu pengguna menggabungkan filamen kuat dan lemah secara strategis untuk mendapatkan yang terbaik dari kedua dunia. Daripada mencetak seluruh objek dengan plastik berperforma tinggi, sistem menganalisis model melalui simulasi analisis elemen hingga, memprediksi di mana objek paling mungkin mengalami tekanan, dan kemudian memperkuat zona tersebut dengan material yang lebih kuat. Bagian lainnya dapat dicetak menggunakan filamen yang lebih ramah lingkungan dan lebih lemah, sehingga mengurangi penggunaan plastik sekaligus menjaga integritas struktural.
“Harapan kami adalah SustainaPrint dapat digunakan di lingkungan industri dan manufaktur terdistribusi suatu hari nanti, di mana stok material lokal mungkin berbeda dalam kualitas dan komposisi,” kata mahasiswa PhD MIT dan peneliti CSAIL Maxine Perroni-Scharf, yang merupakan penulis utama makalah ini. makalah yang mempresentasikan proyek tersebut. “Dalam konteks ini, perangkat pengujian dapat membantu memastikan keandalan filamen yang tersedia, sementara strategi penguatan perangkat lunak dapat mengurangi konsumsi material secara keseluruhan tanpa mengorbankan fungsinya.”
Untuk eksperimen mereka, tim menggunakan PolyTerra PLA dari Polymaker sebagai filamen ramah lingkungan, dan PLA standar atau Tough dari Ultimaker untuk penguatan. Mereka menggunakan ambang batas penguatan sebesar 20 persen untuk menunjukkan bahwa sejumlah kecil plastik kuat saja sudah cukup. Dengan menggunakan rasio ini, SustainaPrint mampu memulihkan hingga 70 persen kekuatan objek yang dicetak seluruhnya dengan plastik berperforma tinggi.
Mereka mencetak lusinan benda, mulai dari bentuk mekanis sederhana seperti cincin dan balok hingga barang-barang rumah tangga yang lebih fungsional seperti dudukan headphone, pengait dinding, dan pot tanaman. Setiap objek dicetak dengan tiga cara: satu kali hanya menggunakan filamen ramah lingkungan, satu kali hanya menggunakan PLA kuat, dan satu lagi dengan konfigurasi hybrid SustainaPrint. Bagian-bagian yang dicetak kemudian diuji secara mekanis dengan menarik, membengkokkan, atau mematahkannya untuk mengukur seberapa besar gaya yang dapat ditahan oleh setiap konfigurasi.
Dalam banyak kasus, cetakan hybrid bertahan hampir sama baiknya dengan versi kekuatan penuh. Misalnya, dalam satu pengujian yang melibatkan bentuk seperti kubah, versi hibrid mengungguli versi yang dicetak seluruhnya dalam Tough PLA. Tim percaya hal ini mungkin disebabkan oleh kemampuan versi yang diperkuat untuk mendistribusikan tekanan secara lebih merata, menghindari kegagalan getas yang terkadang disebabkan oleh kekakuan yang berlebihan.
“Hal ini menunjukkan bahwa dalam geometri dan kondisi pembebanan tertentu, pencampuran material secara strategis sebenarnya dapat mengungguli material tunggal yang homogen,” kata Perroni-Scharf. “Ini adalah pengingat bahwa perilaku mekanis di dunia nyata penuh dengan kompleksitas, terutama dalam pencetakan 3D, di mana adhesi antar lapisan dan keputusan jalur alat dapat memengaruhi kinerja dengan cara yang tidak terduga.”
Mesin cetak yang ramping, ramah lingkungan, dan ramah lingkungan
SustainaPrint dimulai dengan membiarkan pengguna mengunggah model 3D mereka ke antarmuka khusus. Dengan memilih wilayah tetap dan area di mana gaya akan diterapkan, perangkat lunak kemudian menggunakan pendekatan yang disebut “Analisis Elemen Hingga” untuk mensimulasikan bagaimana objek akan berubah bentuk akibat tekanan. Ini kemudian membuat peta yang menunjukkan distribusi tekanan di dalam struktur, menyoroti area yang mengalami kompresi atau tegangan, dan menerapkan heuristik untuk mengelompokkan objek ke dalam dua kategori: area yang memerlukan penguatan, dan area yang tidak.
Menyadari perlunya pengujian yang mudah diakses dan berbiaya rendah, tim juga mengembangkan perangkat pengujian DIY untuk membantu pengguna menilai kekuatan sebelum mencetak. Kit ini memiliki perangkat yang dapat dicetak 3D dengan modul untuk mengukur kekuatan tarik dan lentur. Pengguna dapat memasangkan perangkat dengan item umum seperti pull-up bar atau timbangan digital untuk mendapatkan metrik kinerja yang kasar namun andal. Tim membandingkan hasil mereka dengan data pabrikan dan menemukan bahwa pengukuran mereka secara konsisten berada dalam satu standar deviasi, bahkan untuk filamen yang telah mengalami beberapa siklus daur ulang.
Meskipun sistem saat ini dirancang untuk printer ekstrusi ganda, para peneliti percaya bahwa dengan beberapa pertukaran dan kalibrasi filamen manual, sistem ini juga dapat diadaptasi untuk pengaturan ekstruder tunggal. Dalam bentuk saat ini, sistem menyederhanakan proses pemodelan dengan hanya mengizinkan satu gaya dan satu batas tetap per simulasi. Meskipun hal ini mencakup berbagai kasus penggunaan umum, tim melihat upaya di masa depan untuk memperluas perangkat lunak untuk mendukung kondisi pemuatan yang lebih kompleks dan dinamis. Tim juga melihat potensi penggunaan AI untuk menyimpulkan tujuan penggunaan objek berdasarkan geometrinya, yang memungkinkan pemodelan tegangan otomatis sepenuhnya tanpa memasukkan gaya atau batasan secara manual.
3D gratis
Para peneliti berencana untuk merilis sumber terbuka SustainaPrint, sehingga perangkat lunak dan perangkat pengujian tersedia untuk penggunaan dan modifikasi publik. Inisiatif lain yang ingin mereka wujudkan di masa depan adalah pendidikan. “Di ruang kelas, SustainaPrint bukan sekadar alat, melainkan cara untuk mengajarkan siswa tentang ilmu material, teknik struktural, dan desain berkelanjutan, semuanya dalam satu proyek,” kata Perroni-Scharf. “Ini mengubah konsep abstrak menjadi sesuatu yang nyata.”
Ketika pencetakan 3D semakin tertanam dalam cara kita memproduksi dan membuat prototipe segala sesuatu mulai dari barang konsumsi hingga peralatan darurat, kekhawatiran akan keberlanjutan akan semakin meningkat. Dengan alat seperti SustainaPrint, kekhawatiran tersebut tidak perlu lagi mengorbankan kinerja. Sebaliknya, mereka dapat menjadi bagian dari proses desain: dibangun ke dalam geometri benda yang kita buat.
Rekan penulis Patrick Baudisch, yang merupakan profesor di Hasso Plattner Institute, menambahkan bahwa “proyek ini menjawab pertanyaan kunci: Apa gunanya mengumpulkan bahan untuk tujuan daur ulang, ketika tidak ada rencana untuk benar-benar menggunakan bahan tersebut? Maxine menyajikan hubungan yang hilang antara ide teoritis/abstrak daur ulang bahan cetak 3D dan apa yang sebenarnya diperlukan untuk membuat ide ini relevan.”
Perroni-Scharf dan Baudisch menulis makalah tersebut bersama asisten peneliti CSAIL Jennifer Xiao; Mahasiswa master Departemen Teknik Elektro dan Ilmu Komputer MIT Cole Paulin ’24; mahasiswa master Ray Wang SM ’25 dan mahasiswa PhD Ticha Sethapakdi SM ’19 (keduanya anggota CSAIL); Mahasiswa PhD Institut Hasso Plattner, Muhammad Abdullah; dan Associate Professor Stefanie Mueller, pimpinan Grup Teknik Interaksi Manusia-Komputer di CSAIL.
Pekerjaan para peneliti didukung oleh Hibah Perancangan untuk Keberlanjutan dari Program Penelitian Perancangan untuk Keberlanjutan MIT-HPI. Karya mereka akan dipresentasikan pada Simposium ACM tentang Perangkat Lunak dan Teknologi Antarmuka Pengguna pada bulan September.
